Формирование композитного слоя на базе износостойкого хромалмазного покрытия и антифрикционной оксидной пленки.

ВВЕДЕНИЕ

Для электролитических хромовых покрытий характерно сочетание высокой твердости, стойкости к изнашиванию и низкого коэффициента трения. Это определило широчайшее применение данного типа покрытий в машиностроении.

Износостойкость хромовых покрытий определяется выбором режимов осаждения покрытий, условиями функционирования узла трения, шероховатостью поверхностей трения. Повышение эксплуатационных свойств данного класса покрытий идет по нескольким направлениям, в том числе получением покрытий из электролитов, содержащих наноразмерные алмазы (НА) детонационного синтеза, частицы оксидов, карбидов, боридов различных металлов и неметаллов, совершенствование условий осаждения, дополнительной обработкой полученных покрытий.

Рассмотрены технологические факторы получения покрытий хром-наноалмаз. Разработан технологический процесс нанесения антифрикционной пленки на электролитические хромовые покрытия, модифицированные наноалмазами детонационного синтеза марки УДА-ВК. Проведены испытания данного типа покрытия и даны примеры использования этой технологии.

При проектировании и изготовлении различных изделий и узлов машин для обеспечения их надежной и долговечной эксплуатации крайне важно выбрать наиболее подходящий материал, исходя из условий работы и воспринимаемых нагрузок. В условиях эксплуатации на элементы конструкции воздействует множество факторов в самых различных комбинациях, поэтому при разработке технологии электрохимической обработки материала необходимо особое внимание обратить на факторы, которые могут отрицательно повлиять на эксплуатационные свойства материала. В таблице 1 приведены основные группы факторов, влияющих на эксплуатационные свойства деталей триботехнического назначения с покрытием хром-НА.

Понимание влияния вышеперечисленных факторов, знание возможности их негативного воздействия, проведение процесса осаждения покрытия в допустимых интервалах изменения технологических параметров позволяет получить гальванопокрытие в соответствии с техническими требованиями и высокими эксплуатационными свойствами.

Для дополнительного повышения прочности, сопротивления износу, коррозионной стойкости, отражательной способности гальванические хромовые покрытия после окончательной механической обработки подвергаются дополнительной химической обработке.

Для улучшения эксплуатационных свойств деталей машин широкое применение находят технологии нанесения тонкопленочных покрытий различного функционального назначения (триботехнические, гидрофобные, декоративные и так далее) толщиной порядка 0,1–5 мкм.

В работе[1] предложена дополнительная обработка деталей с хромовым покрытием путем нанесения тонких пленок из фторсодержащих олигомеров (ФСО) типа «Эпилам» и «Фолеокс». Сообщается о снижении коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Следует также отметить высокую термостойкость ФСО (свыше 350°С), что дает возможность эксплуатации узлов машин и механизмов при повышенных температурах.

Модифицирование структуры покрытия с целью повышения антифрикционных свойств и коррозионной стойкости проводится нанесением дополнительного слоя методом золь-гель технологии из смеси органических и неорганических наноразмерных материалов и последующей термохимической обработкой при температуре 110ºС[2]. Повышение антифрикционных свойств хромового покрытия может осуществляться также путем низкотемпературной химической обработки, в результате которой на поверхности хромалмазного покрытия образуется пленка толщиной 3–10 мкм.

Низкотемпературная химическая обработка (НХО) осуществляется при температурах ниже начала структурных превращений (для инструментальных сталей – <180ºС, для твердых сплавов – <200–650 ºС, для алмазосодержащих материалов – <700ºС). К числу эффективных методов НХО относится базирующаяся на эффекте Ребиндера обработка в водных растворах специально подобранных компонентов [3-5]. Данный эффект обуславливает влияние среды на механические и дюрометрические свойства твердых тел. Данный эффект достигается при взаимодействии любых твердых тел с поверхностно-активными веществами.

Однако в результате физико-химического влияния окружающей среды чаще всего наблюдается снижение прочности и пластичности твердых тел за счет уменьшения поверхностной энергии тела. Такое влияние носит обратимый характер, то есть после удаления с поверхности твердого тела поверхностно-активных веществ механические свойства тел обычно полностью восстанавливаются. Тем не менее, имеется несколько примеров, при которых в результате такого взаимодействия формируется зона повышенных напряжений сжатия, что положительно сказывается на эксплуатационных свойствах твердых тел [6-7].

Рассмотренные закономерности были использованы для определения состава для низкотемпературной химической обработки покрытий хром-НА[8]. В него входят оксиды титана и молибдена в виде порошка, алмазосодержащая шихта и поверхностно-активные вещества.

Для приготовления рабочего водного раствора применяются специальные технологические приемы для разбивки конгломератов и повышения поверхностной активности компонентов. Для реализации процесса НХО используется насыщающая порошковая смесь на основе оксидов тугоплавких металлов (титана и молибдена), наноразмерная алмазосодержащая шихта АШ-А и поверхностно-активные вещества (ПАВ)[9]. Для приготовления рабочего водного раствора применяются специальные технологические приемы для диспергирования конгломератов и повышения поверхностной активности компонентов. Оксиды титана и молибдена до введения в воду подвергают активации путем измельчения в механических мельницах. Затем, компоненты подвергают кипячению в течение 4–8 ч при температуре 96–98ºС, до достижения кислотности раствора рН=4,5–5,0. Алмазосодержащую шихту до введения в рабочий раствор подвергают ультразвуковой обработке в водной суспензии.

Длительность проведения НХО варьируют от 45 до 60 мин в зависимости от габаритов деталей с хромалмазным покрытием и их количества.

Увеличение длительности обработки в растворе выше указанных пределов не ведет к существенному приросту толщины антифрикционной пленки на гальваническом покрытии. Исследования показали, что в результате низкотемпературной химической обработки и последующей термообработки на поверхности покрытия хром-НА образуется пленка толщиной 5–10 мкм, обладающая антифрикционными свойствами.

На рисунке 1а (х1000) представлена структура антифрикционной пленки. Отмечается неоднородность пленки, более гладкие и темные (на фото) участки чередуются со светлыми «коралловыми» образованиями. Эти участки с большей степенью увеличения представлены на рисунке 1б и 1в (х4000).

Рисунок 1. Микрорельеф поверхностной пленки (а) и отдельных его участков (б, в) на обработанном методом НХО хромалмазном покрытии, с преимущественным содержанием оксидов молибдена (б) и титана (в).

Рентгеноспектральный анализ этих зон показал (рисунок 2) их отличие по элементному составу с преобладающим содержанием титана (рисунок 2а) и молибдена (рисунок 2б).

Рисунок 2. Рентгеноспектральный анализ поверхности с упрочняющим покрытием. а – преобладание оксидов титана; б – преобладание оксидов молибдена.

Модифицированная таким образом поверхность обладает повышенным сопротивлением износу, так как разрушение микроконтактов при трении модифицированных поверхностей происходит легко, без распространения на окружающие области и перехода в задир. Механизм модифицирующего действия нанесенной пленки заключается в том, что поверхности, обогащенные оксидами, имеют более низкую энергию сдвига.

Контроль рабочего раствора НХО осуществляется по изменению величины кислотности раствора с помощью рН-метра. Исходный рабочий раствор до погружения деталей при температуре кипения имеет рН = 4,9– 5,0. В процессе работы рН меняется.

Ванна считается пригодной при рН = 4,5–5,5. При снижении рН ниже 4,5 корректир овка ванны осуществляется путем дополнительного введения активатора, а также путем слива отстоявшегося раствора. При этом выпавшая в осадок порошковая смесь многократно используется для приготовления нового раствора путем добавления чистой воды в необходимой пропорции и корректировки рН.

После загрязнения рабочего раствора и раствора для обезжиривания их сливают на регенерацию в отдельную емкость и заменяют новыми. В случае снижения активности рабочего раствора дополнительно в ванну вводятся компоненты порошковой смеси в необходимой пропорции.

Контроль качества НХО осуществляют путем сравнения с эталоном.

Обработанная поверхность должна быть однородной, сероватого оттенка, без следов рабочего раствора.

Толщина при необходимости проверяется на косых срезах образцов-свидетелей и должна быть не менее 5 мкм.

Рисунок 3. Структурная схема нанесения композитного покрытия

Процесс нанесения композитного покрытия на узлы трения состоит из следующих этапов (рисунок 3):

  1. Подготовка поверхности;
  2. Нанесение гальванического хромалмазного покрытия;
  3. Проведение НХО.

Элементы узлов трения (опорные пяты, валы ротора электродвигателя, втулки рабочих колес, муфты) изготовлены из стали 45, их рабочие поверхности перед нанесением хромалмазного покрытия предварительно подвергались шлифованию и полированию. Шероховатость поверхности при этом не превышала Ra 0,4.

Нанесение гальванического покрытия осуществлялось на экспериментальном участке Научно-производственного закрытого акционерного общества «Синта» (г. Минск).

Проведены испытания экспериментальных образцов элементов триботехнических сопряжений с композиционным покрытием в соответствии с методиками испытаний. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Анализ данных в таблице 2 показывает, что для случая граничного трения по стали у покрытия хром-НА коэффициент трения по сравнению с «чистым» хромом ниже на 10–12 %, а у композитного покрытия «хром-НА — оксидная пленка» – на 40–55 %. Для случая сухого трения – коэффициент трения снижается до 25 % и в 1,7–2,1 раза соответственно. При этом относительная износостойкость по сравнению с «обычным» хромовым возрастает в 1,5–1,6 раза для хромалмазного покрытия и в 1,8–2,4 раза для композитного покрытия при граничном трении.

Положительный вклад собственно низкотемпературной химической обработки выражается для случая граничного трения в улучшении антифрикционных свойств хром-НА покрытия на 20–35 % и повышении износостойкости на 12–25 %, а для сухого трения – в повышении антифрикционных свойств на 35–60 % и износостойкости в 1,5–2,0 раза.

Рисунок 4. Примеры деталей с композитным покрытием: а — опорная пята погружного насоса; б – муфта погружного насоса.

В результате испытаний установлено, что экспериментальная партия деталей соответствует технической документации, предъявленной на испытания. Полученные при испытаниях значения критериев работоспособности (толщина покрытия, микротвердость, коэффициент трения) соответствуют допустимым интервалам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Лещик С.Д. Структура и триботехнические свойства металлополимерных композиционных покрытий на основе электролитического хрома с ультрадисперсными модификаторами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Институт механики и металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной Академии наук Беларуси.- Гомель 2001.
  2. Műhle A. Verbesserung der Schichteigenschaften von Hartchrom, Galvanotechnik (2004) 10 S.2412-2417.
  3. Способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали: патент № 2023027 Россия: МКИ5 С21D 9/22./ А. А. Шматов, Л. Г. Ворошнин, №5000073/02; заявл. 30.07.1991; опубл. 15.11.1994, бюл. № 21. 388.
  4. Способ упрочнения алмазного инструмента на металлической связке: патент № 10783 Респ. Бела-русь: МПК7 В 24D 3/34, C 21D 9/22, C 23C 22/05 / О. О. Смиловенко, В. И. Жорник, А. И. Полуян, А. А. Шматов, Н. Н. Прокопович; заявитель ОИМ НАН Беларуси. – № a 20050979; заявл. 13.10.2005; опубл. 30.06.2008 // Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi . – 2008. – № 3.
  5. Способ упрочнения алмазного инструмента на металлической связке: патент № 12985 Респ. Бела-русь, МПК8 B 24D 18/00, B 24D 3/324, С 23С 22/05 / О. О. Смиловенко, А. И. Полуян, В. И. Жорник, Н. Н. Прокопович, А. А. Шматов; заявитель ОИМ НАН Беларуси. – № а 20081057; заявл. 08.08.2008; опубл. 30.04. 2001// Афiцыйны бюл. / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. – 2010, бюл. № 2.
  6. Годяевский В.А., Волков А.В., Латышев В.Н., Маурин Л.Н. Проникающая способность СОТС как фактор эффективности обработки резанием. // Трение и износ, 16 (1995), №5, 938…949.
  7. Годлевский В.А., Волков А.В., Латышев В.Н., Маурин Л.Н. Модель смазочного действия растворов ПАВ при резании. //Трение и износ, 17 (1996), №3,С. 345-35.
  8. Способ получения композиционного покрытия: пат. № 11387 Респ. Беларусь, МПК С 23С 28/00, С 25D 15/00, С 23С 22/05/ О.О. Смиловенко , В.И. Жорник, Р.Г. Штемплюк, А.П. Корженевский, Н.Н. Прокопович ; заявитель ОИМ НАН Беларуси. – № a 20070519; заявл. 07.05.2007; опубл. 28.02.2008 // Афiцыйны бюл. /Нац.цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. –2008. – № 6 – С. 118.
  9. Наноалмазы детонационного синтеза: получение и применение. /П.А. Витязь [и др.] ˗ Минск; Беларус. Навука, 2013 – 396 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Штемплюк Роман Георгиевич – к.т.н., главный инженер НП ЗАО «Синта», г. Минск, Республика Беларусь.

www.sinta.biz

sinta92@yandex.by

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Прямая металлизация изделий из пластика
Прямая металлизация изделий из пластика
Новое сочетание осаждения погружением меди и автокаталитического осаждения оксида меди (I) позволяет снизить концентрацию палладия…
Константин Шварц, Джозеф Арнольд
29.04.2021
237
Намеренное избыточное нанесение покрытия
Намеренное избыточное нанесение покрытия
Технология нанесения покрытий развивалась медленнее, чем другие производственные процессы. В то время как в этой…
Фелипе Атти, KraftPowercon
24.09.2019
565
Современные способы обработки и модификации свойств поверхности электронных компонентов
Современные способы обработки и модификации свойств поверхности электронных компонентов
Процессы гальванической металлизации являются неотъемлемой частью производства печатных плат (ПП) и от качества их выполнения…
Терешкин В. А., к.т.н. (Мир гальваники 2008)
17.07.2018
2010
Электрохимическая модификация поверхности в медицине
Электрохимическая модификация поверхности в медицине
В работе рассмотрены электрохимичсекие методы модификации поверхности материалов, изделий, инструментов и устройств, применяемых в медицине…
Гольдин М.М., Евсеев А.К., Шапиро А.И., Иванова К.В., Одинокова И.В., Смирнов К.Н.
21.01.2020
1092
Покрытие для возвращения космических кораблей на Землю
Покрытие для возвращения космических кораблей на Землю
Одним из ключевых аспектов программы НАСА "Артемида" является восстановление капсулы "Орион" после приводнения. Океаническая среда…
Скотт Фрэнсис
15.09.2022
110
Катодно-механическое хромирование или гальванохонингование?
Катодно-механическое хромирование или гальванохонингование?
Сравнение процесса катодно-механического нанесения покрытий с процессом гальванохонингования демонстрирует существенное принципиальное различие между этими процессами…
Жеско Ю.Е.
09.07.2019
1078
Нанотехнологический стартап разрабатывает замену золочению
Нанотехнологический стартап разрабатывает замену золочению
Компания Ag-Nano System LLC представляет новый метод гальванопокрытия на основе наночастиц золотого серебра, разработанный для…
01.11.2022
40
Холодное распыление как замена хромированию
Холодное распыление как замена хромированию
Научно-исследовательская лаборатория сухопутных войск США в сотрудничестве с партнерами изучают возможность использования холодного распыления в…
Виктор Шампань
09.07.2019
2125
Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа). Теоретические и практические аспекты.
Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа). Теоретические и практические аспекты.
Заполнение отверстий малого диаметра (микровиа) стало необходимым, когда кристаллодержатели и другие компоненты стали монтироваться непосредственно…
Берт Ринтс, Штефан Кенни (Мир гальваники 2008)
17.07.2018
909